童叶森 聂尊浩 蔡山顺 陈若曦 易早立
摘要：随着西南油气田勘探开发逐渐向深部复杂地层发展，深部海相地层高压力系数、井底高温、裂缝发育等引起的故障复杂越来越多。本文详细阐述了塔探1井卡钻前的施工过程，卡钻后的处理情况，以及井下落鱼结构及落鱼所处位置等相关信息，统计各类型磨鞋磨铣井下121mm钻铤的机械钻速和进尺，结合磨鞋出井磨损情况分析，针对井下落鱼为钢级更高、壁厚更厚的钻铤，提出了磨鞋选型优选方案，达到提高落鱼磨铣效率的目的;为以后磨铣类似井下落鱼的磨鞋选型提供参考。
Abstract：
As the exploration and development of oil and gas fields in Southwest China gradually develops into deep complex formations， the failures caused by the high pressure coefficient of deep marine formations， high temperature of bottom hole and the development of fractures are becoming more and more complicated. This article elaborated on the construction process before the stuck pipe in Tatan 1# well， the processing situation after stuck pipe， and the relevant information such as the structure of the fish falling in the well and the location of the fish falling， and statistics of the drilling speed and footage of various types of shoe grinding and milling machinery under the 121mm drill collar. Combined with the analysis of the wear situation of the grinding shoe out of the well， for the drill collar with a higher steel grade and a thicker wall thickness， a preferred shoe grinding type selection scheme is proposed to achieve the purpose of improving the efficiency of the grinding and milling of the fish. It will provide a reference for the selection of grinding shoes similar to the well-dwelling fish in the future.
关键词：磨鞋;钻铤;磨铣;选型
Key words：
grinding shoes;drill collar;grinding and milling;selection
中图分类号：TE921 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2020）21-121-03
0 引言
在油气钻井作业中，难免出现掉钻头牙轮或断、掉钻具在井底。在入井其它工具打捞不成功时则只有下入磨鞋去磨铣井底所掉落鱼[1]。相较于钻杆，井下落鱼为钢级更高、壁厚更厚的钻铤时，在磨铣过程中存在单趟钻磨铣时间短，磨铣进尺低，起下钻频繁等诸多问题，使得井下复杂的处理周期变长，钻井成本增加。文中将对塔探1井磨铣121mm螺旋钻铤过程中所使用的各种磨鞋进行详细描述，通过对比分析所使用的磨鞋实际磨铣效果，找出导致磨铣进度缓慢的原因，优化磨鞋选型。
1 塔探1井概况
1.1 塔探1井基本情況
塔探1井是中国石油西南油气田分公司在四川盆地大塔场构造上部署的一口风险探井，该井位于四川省宜宾市宜宾县境内，设计井深6755m，以灯二段为目的层，钻探目的是了解大塔场构造灯影组及下古生界储层发育及含流体情况。于2017年2月16日开钻，目前井深6508.13m，目前层位灯二段。
1.2 前期复杂情况简述
塔探1井于2018年9月13日开始六开灯影组钻进，使用密度1.18g/cm3的油基钻井液体系钻进至井深6508.13m，井下扭矩异常，垮塌严重，经过九次下入清砂工具（PDC钻头、铣齿、西瓜皮钻头、铣锥等）进行清砂处理，并将钻井液密度逐渐提高至1.60g/cm3，其中第九次下入132mm铣锥清砂划眼，重浆举砂过程中，因井眼环空间隙小，大量垮塌物堵塞，造成卡钻。经过5次打捞，13趟钻磨铣，鱼头出套管鞋17.5m。在井深6361m鱼顶处下入？准133mm母锥带？准133mm 3°斜向器造扣并注水泥塞侧钻。下钻未探到水泥塞，再次做地层承压试验，多次补套压至40.0MPa压力下降缓慢的情况下，决定直接下铣锥侧钻。2018年12月31日第一趟下入？准136mm铣锥侧钻至井深6361.70m（斜向器理论顶深6356.19m，斜面长2.21m）;循环反复拉划，修整斜向器剖面，扭矩平稳后起钻。第二趟下入135.5mmPDC钻头以5-10kN钻压划眼至井深6361.17m，扭矩异常10.6kN·m↑12.5kN·m，倒划至井深6360.92m过程中扭矩间断上涨至14.2kN·m，顶驱间断蹩停，下放钻具至井深6361.10m顶驱再次蹩停，发生卡钻。
1.3 第二次卡钻处理过程及原因分析
1.3.1 卡钻处理过程
在悬重1200-2000kN间断震击，累计震击150次，未解卡。倒扣成功，倒扣后悬重1450kN，井下落鱼479.07m。先后通过反扣钻杆六次造扣打捞，井下剩余落鱼39.1m，第七次造扣打捞反转扭矩27.0kN·m未能倒扣，正转倒安全接头时钻杆滑扣，井下新增落鱼6026m;通过十一次正扣钻杆造扣打捞和一次对扣打捞，剩余井下落鱼39.83m，下入随钻震击器活动震击无效后，转入磨铣作业。
1.3.2 卡钻原因分析
造成第二次側钻卡钻，分析原因主要有以下几点：①下斜向器注水泥塞稳固，未探得水泥塞，斜向器封固不牢处于活动状态;②因小井眼环空间隙小，前期磨铣落鱼可能存在大碎块未能有效返出;③侧钻过程中，两井眼间的夹壁墙垮塌。
1.3.3 落鱼结构及落鱼特征
井下落鱼结构：135.5mmPDC×0.25m+双母330×310×0.90m+回凡×0.51m+121mm钻铤4根×37.44m（从上到下单根数据9.40m、9.33m、9.29m、9.42m）+121mm大头公锥×0.40m+安全接头下部分×0.33m（井下落鱼结构及121mm钻铤。发生卡钻时的井下泥浆性能见表2），鱼顶井深：6322.6m、套管鞋井深：6343.5m、斜向器顶井深：6356.19m;其中井下落鱼主要部分由4根121mm钻铤构成，长度37.44m。NC35-47型121mm钻铤其主要规格参数如下：内径50.8mm，壁厚34.95mm，每米重量79kg/m，从以上数据可以得出，121mm钻铤的壁厚是普通钻杆的4倍，由于其作用是为钻井作业提供所需的钻压，有着比普通5寸钻杆更重的重量，单根重量是普通5寸钻杆重量的2.7倍。更高的强度和更厚的磨铣横截面无疑给井下磨铣落鱼工作带来了巨大的挑战，对磨鞋的质量提出了更高的要求。
2 磨鞋使用效果对比分析
截止目前，塔探1井磨铣至井深6330m，总计磨铣进尺7.4m，累计磨铣时间300h，总共下钻磨铣22趟，使用各种不同类型的磨铣工具13种，钻具组合多采用井底“磨捞工具”，由磨鞋和捞杯两部分组成[2]（钻具组合为：磨鞋+捞杯+回压凡尔+？准121钻铤5柱×136.42m+311×HT38母×0.80m+？准101.6加重钻杆7 2/3柱×218.65m+？准101.6钻杆）。为了更好的对比磨铣工具的使用效果，分析磨铣缓慢的原因，找出提高磨铣效率的方法，本文挑选出10种磨铣过程中使用过的具有代表性的磨鞋进行对比分析，归纳总结见表2。
对比表中相关数据，结合现场实际磨铣效果分析，传统的磨铣工具如表中的三刀翼短引子磨鞋、三瓣式短引子星型磨鞋、两刀翼磨鞋，它们的主磨铣面都是平底构造，这类型的磨鞋磨铣小尺寸钻具，如钻杆有很明显的优势，磨铣过程中钻压分布平均，磨铣均匀，产生的纵向震动小[3]。但用于磨铣尺寸大的钻铤却发挥不出它的优势;钻铤的壁厚更厚，以这次落入井下的121mm钻铤为例，它的壁厚达到了34.95mm，是普通5寸钻杆的4倍。磨鞋与钻铤的接触面积远远大于与钻杆的接触面积，这样切削齿作用在钻铤上的比钻压低，再加上镶在磨鞋上的合金块没有任何角度，难以吃入钻铤，致使磨铣速度缓慢。通过表中这3种磨鞋对比数据，平均进尺0.2m，平均磨铣速度0.015m/h，以及实际出井磨损情况也证明了传统的磨铣工具不适合钻铤的磨铣。
在后续的磨铣过程中先后试验使用了黑金钢石磨鞋和双级磨鞋，设计思路是，通过增大磨鞋中心位置的尺寸，在磨铣钻铤过程中优先磨铣扩大钻铤的水眼，减小被磨铣钻铤的横截面积，以达到减小磨鞋与钻铤的接触面积，增加比钻压，进一步发挥传统磨鞋磨铣的优势。从现场实际使用效果看，最初的10-15cm磨铣速度较快，磨鞋中心磨铣块吃入钻铤水眼，后续磨铣速度明显降低，甚至无进尺，根据起出的磨鞋磨损情况分析，中心磨铣块没有设计合适的切入角度，导致无法直接切入钻铤本体，再加之磨出的铁屑没有通道能及时排出，导致磨鞋中心磨铣部分在钻铤内侧重复磨铣，当磨鞋上二级磨块接触钻铤本体后进一步减小了比钻压，切削齿更加难以吃入钻铤本体，从表2中数据可以看出两只磨鞋磨铣时间较长，但进尺很低，进一步论证了上述结论。
借鉴新疆磨铣钻铤成功的经验，改变刀翼布局与柱状齿角度，先后试验使用了五刀翼短引子磨鞋、六刀翼磨鞋、六刀翼双排齿短引杆磨鞋三种刀翼上镶有金刚石复合片的磨鞋，类似于常规钻进中所使用的PDC钻头。从数据上分析，三只磨鞋平均磨铣进尺在0.5m左右，相比之前使用的传统平底磨鞋和改良的双级磨鞋在单趟钻磨铣进尺上有显著增加，但是磨铣速度依然偏低，较之前使用的磨鞋在磨铣速度上没有明显提升;结合出井磨鞋磨损情况分析，五刀翼短印子磨鞋的PDC复合片磨损崩齿严重，而六刀翼双排齿磨鞋由于采用双排齿结构设计增强了抗研磨能力，但同样双排齿结构设计导致切削齿难以以较大的比钻压切入钻铤本体，加之钻具组合中未使用螺杆，转盘转速低，磨铣过程中纵向震动大后，PDC复合片很容易过早崩齿，导致磨铣效率低。
改进二刀翼磨鞋和三刀翼磨鞋结构类似，在原有磨鞋表面都加装了硬质合金片，不同的是二刀翼磨鞋其中相对称的两瓣刀翼添加了特质的合金片，并且设计了独特的切入角度，另外两瓣是普通的合金颗粒磨铣瓣起二次磨铣作用。而三刀翼磨鞋三片刀翼上都加装了特质的合金片，并且调高了合金片的突出高度。从表2数据分析看出：二刀翼磨鞋提高了纯钻时间，达到33.5h;单只磨铣进尺达到1.35m，磨铣速度快达到0.04m/h;相比较之前所用过的磨鞋磨铣进尺、磨铣速度有明显的提升，三刀翼磨鞋几项参数还要稍好于二刀翼磨鞋，分别是：有最高的单只磨铣进尺1.6m，最长达磨铣时间到达40.5h;出井对比两只磨鞋磨损情况，具有相似的几个地方：作为主切削齿的合金片磨损最严重，特别是三刀翼磨鞋，三个刀翼上的合金片全部断裂。磨鞋中心被磨平，甚至凹陷，分析原因三刀翼磨鞋合金片设计突出磨鞋本体长，合金片薄且没有设计相应的切入角度，在高钻压低转速磨铣落鱼过程中，产生的纵向震动，极易造成合金片崩断[4]。
3 认识及建议
3.1 磨鞋的优化
试验证明，二刀翼磨鞋在磨铣速度、单趟磨铣总长度、磨铣总时间均明显优于普通磨鞋。其中磨铣总进尺是普通磨鞋的4.5倍，磨铣速度提高了100%，考虑更换磨鞋所需要的起下钻时间（该井起下一次鉆需24h），二刀翼磨鞋单位时间磨铣效率可提高2倍。但从磨鞋出井磨损情况分析有以下几个特征：①磨鞋中心过度磨损，形成深坑甚至磨鞋心部被掏空的非正常现象;②磨鞋表面焊接的合金片断裂磨损严重;③磨鞋表面堆焊的合金块磨损严重，甚至有被刮削掉的痕迹。磨鞋磨铣寿命短，磨鞋进尺短的情况依然未得到有效改善，个人认为磨鞋还需要从以下几个方面进一步优化改良：
1）改进磨鞋硬质合金刀翼的高度及切入角度，防止硬质合金片在磨铣过程中迅速疲劳磨损[5];
2）改变磨鞋流道布局，使其能充分冲散重晶石粉沉淀及磨铣中产生的铁屑，避免出现重复切削;
3）针对性的调整合金颗粒布局，采用进口硬质合金齿以加快磨铣效率，提高磨鞋使用寿命。
3.2 磨铣参数优化
除了磨鞋本身的设计因素以外优化现有的磨铣参数，能进一步提高磨鞋使用寿命，增加磨铣进尺。
3.2.1 钻压
通过对比分析磨鞋磨损情况，磨铣钻压普遍偏大（6-8T）是导致磨鞋中心磨损严重的主要原因，过高的使用钻压除可造成合金研磨损坏外，还会产生较大的连续铁屑，引发循环携带问题。大量铁屑参与重复磨铣，还使磨铣工况变得不稳定，出现蹩跳钻现象，合金受到的冲击变大，合金被击碎脱落，使磨鞋表面形成镜面。现场磨鞋磨铣过程中应考虑适当降低钻压。
3.2.2 转速
分析认为虽然磨铣转速不影响合金性能，不影响循环效果，但高转速有利于提高磨铣速度。即在同样磨铣速度下，提高转速可以相应降低钻压，有助于保持良好的磨铣工况，现场实际磨铣过程中由于设备原因，磨铣过程中最高转速只有80rpm/min，使用中可以多采用抗高温螺杆钻具组合，已达到增加转速的目的。
3.2.3 管柱组合
在现有钻柱组合中适当增加4"加重钻杆配比，提高钻压上限目的是增加钻柱稳定性，保持磨铣工况稳定，防止磨铣过程中纵向震动大，磨鞋表面合金片过早磨损脱落。
参考文献：
[1]刘和强，李克明，李洪强，李彦君，谢收伟，朱褚文.磨铣工艺技术研究[J].广东化工，2013，40（258）：57-63.
[2]张代俊.井底磨捞工具的改制与现场应用[J].天然气工业，1999（5）：96-97.
[3]沈传海，曹继虎.高效磨铣工艺技术配套总结[J].石油化工应用，2007（3）：81-85.
[4]王玺，丑笑飞，潘春，等.高效磨铣工艺技术及应用[J].内蒙古石油化工，2012（17）：108-109.
[5]余嗣元，余承辉主编.金属工艺学[M].合肥：合肥工业大学出版社，2006.